CN110029249A - 一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为:In:2.0‑3.0wt.%,Zn:1.2‑1.4wt.%,Hf:0.5‑0.8wt.%,Sn:1.0‑1.5wt.%,B:0.1‑0.2wt.%,Ag:3.0‑3.5wt.%,Ni:5.0‑8.0wt.%,余量为钴。本专利提供了一种用于对高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢焊接用的材料，可以有效地解决目前采用锰铜阻尼合金母材作为焊接材料的缺点。不仅提供了减振降噪领域急需的解决方案，在产业化的同时还可以获得极大的经济效益和社会效益。

Description

一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料
技术领域
本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种钴合金。
背景技术
在工业和国防领域，振动和噪音已经带来严重的后果，包括降低机械，电子仪器的使用寿命和工作精度。同时，也会大大降低工作人员的身心健康。因而在工业和国防领域快速发展的今天，减振降噪受到了国内外的高度重视。
一般而言，对于工业和国防领域的振动，常用的解决方法有三种：（1）增加质量提高刚性；通过将结构件设计的足够大和坚固来降低振动振幅，但是同时带来了体积和重量增大的缺点。（2）通过巧妙的结构设计来避免共振的发生，从而降低振动和噪音。这种办法主要用于振动源频率单一的场合，在实际中由于振动源振动频率谱复杂的特性也只能解决部分问题。（3）采用阻尼材料进行结构设计来阻止和降低振动传播，从而可以最大范围减少振动和噪音带来的危害。也就是通过采用高阻尼材料并采用柔性设计来将振动的机械能转化为热能而耗散掉。
从技术角度而言，采用阻尼材料能够很好地解决多种与振动有关的实际难题。本质原因在于这些材料内在的阻尼机制可以将不同振幅和振动频率段的振动能量有效地耗散掉。采用阻尼合金的减振降噪是一种非常有效的方法，在实际上促进了阻尼合金在众多领域的广泛使用。
阻尼合金就基体金属而言，可以分为铝基阻尼合金，铁基阻尼合金，镁基阻尼合金，和锰铜基阻尼合金等多个品种。其中，锰铜基阻尼合金的阻尼系数具有非常不同于其它阻尼合金品种的特点，即阻尼性能与频率的关系不大，而只明显地依赖于振动的振幅。因而在实际使用中，锰铜阻尼合金可以在多个频率段的范围内进行有效地减振降噪。从世界范围来看，锰铜阻尼合金已经在世界范围内得到了非常广泛的应用。
锰铜阻尼合金按照其中的锰含量可以分为高锰含量锰铜合金（Mn含量大于70wt.%），中锰含量锰铜合金（Mn含量位于60-70wt.%）和低锰含量锰铜合金（Mn含量小60wt.%）。目前应用最为广泛的是高锰含量锰铜合金和中锰含量锰铜合金。在实际减振降噪的使用中，锰铜类的阻尼合金需要和多种合金基材进行耦合。不锈钢是阻尼合金经常需要考虑耦合的材质之一，其中用的最为广泛的是304不锈钢。
令人感到遗憾的是，目前对于锰铜类合金的使用一般采用铆接的方式，而不是通常认为的焊接。国际范围内并没有用于锰铜阻尼合金与304不锈钢之间焊接用材料。一般在实际中采用母合金作为焊接材料来进行焊接。但是，即使采用氩气保护的焊接形式，也会产生明显程度的氧化而使得焊接接头出现冶金类型的氧化物夹杂。这种在接头中出现的组织缺陷可以使得焊接后的接头发生明显的脆化。在使用中会发生明显的应力腐蚀和开裂，大大降低了阻尼合金在变形过程中对能量耗散的能力。
考虑到需要减振降噪领域中相当数量的部件是由304不锈钢制备，因而开发一种用于高锰含量锰铜阻尼合金和304不锈钢之间的焊接材料对于工业化的大生产具有非常重要的现实意义。不管是从技术研发的角度还是工业化发展需求而言，都是当前世界各国需要解决的迫切问题之一。
发明内容
本发明公布了一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料。该材料用在氩气保护条件下的焊接，所得接头可以克服目前现有材料和工艺不能令人满意的现状。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为In:2.0-3.0wt.%,Zn:1.2-1.4wt.%,Hf:0.5-0.8wt.%,Sn:1.0-1.5wt.%,B:0.1-0.2wt.%,Ag:3.0-3.5wt.%,Ni:5.0-8.0wt.%,余量为钴。
上述焊接材料的加工和使用方法，包括如下的步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在1200-1300度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入铸铁模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为5-8%；每两道次后进行中间去应力真空退火，工艺为750-850度2.0-3.0小时；重复以上过程直到工件厚度为2-3mm为止。（c）将具备厚度为2-3mm的板材进行线切割成所需的长度和宽度的焊接用材料；在氩气保护的弧焊接后，焊后去应力热处理工艺为真空炉中400-420度保持2.0-2.5小时。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
（1）锰铜阻尼可以按照锰的含量分为三种类型：高锰含量阻尼合金（Mn的含量大于70wt.%）,中锰含量阻尼合金（Mn的含量在60-70wt.%之间）和低锰含量阻尼合金（Mn的含量小于60wt.%）。其中，高锰含量阻尼合金由于具有最为优秀的阻尼性能而应用最为广泛。采用高锰含量锰铜阻尼合金要进行振动衰减就必须和基体金属结合起来，从而将振动的能量转换为热能而耗散掉。目前为止，对高锰含量的锰铜阻尼合金与304不锈钢的耦合通常采用铆钉的连接方式。这对于小型的振动衰减设计是非常有效的。当振动源比较大时，必须采用焊接的方式将阻尼合金与304不锈钢振动源进行耦合。目前为止，国内外采用高锰含量的锰铜阻尼合金母材作为焊接材料在氩气保护的气氛中进行焊接。由于高锰含量的锰铜合金含有大量的锰，在氩气保护的焊接中也会发生氧化，生成不溶于液态熔池的氧化物。这些氧化物在焊接过程中由于焊接和冷却速度快而不能有效地浮出熔体表面，因而在焊接过程中在接头中形成夹杂物，严重的降低了接头和基材的结合性能。不仅造成了接头的多渣性，多孔性，也降低了工件的合格率。本发明申请保护的新型高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢之间焊接用材料可以完全克服以上现有缺陷，且所得接头的力学性能和阻尼性能和高锰含量锰铜阻尼合金性能相当。而且，在海洋性的环境下（舰船等场合），接头的抗应力腐蚀性能突出，可以进行大型部件的制造。
（2）该焊接材料的熔点范围为1080-1150度。由于该合金的凝固温度范围低，在高温状态下具有优异的流动性，因而可以充分填充焊接区域的焊缝。同时在实际的焊接过程中造成的成分偏析小。采用氩气保护的焊接后，熔融的合金具有非常有益的铺张性能，焊缝表面平坦光滑，焊缝和基体材料熔合良好，成形整齐且无裂缝。在焊接的过程中，在氩气吹力的作用下，熔体优异的流动性能使得熔池金属在焊接过程中可以达到充分的搅拌，使得焊接组织明显得到细化，形成均匀细小的等轴晶体，晶粒尺寸在30-40微米范围内。
（3）本专利申请保护的焊接材料对焊缝周围的304不锈钢母材有很大的熔合作用。同时，在焊接的热影响区内，焊接材料对母材阻尼性能也有很大的补偿作用。也就是说，本专利申请保护的焊接材料通过焊接后的热处理，可以在很大程度上保持接头的阻尼性能和力学性能。在氩气保护焊接条件下，没有经过热处理时屈服强度为320-340MPa，抗拉强度为480-500MPa，延伸率为25-28%，阻尼系数SDC为20-30%;而经过热处理后，屈服强度为360-380MPa，抗拉强度为540-560MPa，延伸率为35-38%，阻尼系数为35-40%。
（4）该焊接材料具有非常优异的耐腐蚀性能，特别是在海洋性环境中。在人工海水中进行了耐海水腐蚀试验，每升水中加入：MgCl2﹒6H2O，CaCl2,1.2g；Na2SO4，4g；NaCl，25g；pH值为6.5-7.2。在4年后，本专利申请保护的接头材料在经过焊接后的热处理工艺后，重量的变化小于0.2-0.4wt.%。表明在腐蚀性极强的海洋性环境下，该接头合金具有良好的耐腐蚀性能，因而可以广泛的用于海洋性环境下的减振降噪，例如海洋平台。
具体实施方式
实施例1
一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为: In:2.0wt.%,Zn:1.2wt.%,Hf:0.5wt.%,Sn:1.0wt.%,B:0.1wt.%,Ag:3.0wt.%,Ni:5.0wt.%,余量为钴。
上述焊接材料的加工和使用方法，包括如下的步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在1280度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入铸铁模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为6.0%；每两道次后进行中间去应力真空退火，工艺为800度2.5小时；重复以上过程直到工件厚度为2mm为止。（c）将具备厚度为2mm的板材进行线切割成所需的长度和宽度的焊接用材料；在氩气保护的弧焊接后，焊后去应力热处理工艺为真空炉中410度保持2.0小时。
该焊接材料的熔点为1090度，且对焊缝周围的304不锈钢母材有很大的熔合作用。在焊接热影响区内，焊接材料对母材阻尼性能有很大的补偿作用。也就是说，本专利申请保护的焊接材料通过焊接后的热处理，可以在很大程度上保持接头的阻尼性能和力学性能。在氩气保护焊接条件下，没有经过热处理时屈服强度为320MPa，抗拉强度为490MPa，延伸率为25%，阻尼系数SDC为25%;而经过热处理后，屈服强度为370MPa，抗拉强度为540MPa，延伸率为35%，阻尼系数为38%。该焊接材料具有非常优异的耐腐蚀性能，特别是在海洋性环境中。在人工海水中的耐海水腐蚀试验表明，4年后接头材料重量变化小于0.3wt.%。表明在腐蚀性极强的海洋性环境下，该接头合金具有良好的耐腐蚀性能，因而可以广泛的用于海洋性环境下的减振降噪，例如海洋平台。
实施例2
一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为: In:3.0wt.%,Zn:1.4wt.%,Hf:0.8wt.%,Sn:1.5wt.%,B:0.2wt.%,Ag:3.5wt.%,Ni:8.0wt.%,余量为钴。
上述焊接材料的加工和使用方法，包括如下的步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在1240度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入铸铁模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为5.0%；每两道次后进行中间去应力真空退火，工艺为820度2.5小时；重复以上过程直到工件厚度为3mm为止。（c）将具备厚度为3mm的板材进行线切割成所需的长度和宽度的焊接用材料；在氩气保护的弧焊接后，焊后去应力热处理工艺为真空炉中410度保持2.4小时。
该焊接材料的熔点为1100度，且对焊缝周围的304不锈钢母材有很大的熔合作用。在焊接热影响区内，焊接材料对母材阻尼性能有很大的补偿作用。也就是说，本专利申请保护的焊接材料通过焊接后的热处理，可以在很大程度上保持接头的阻尼性能和力学性能。在氩气保护焊接条件下，没有经过热处理时屈服强度为340MPa，抗拉强度为480MPa，延伸率为26%，阻尼系数SDC为28%;而经过热处理后，屈服强度为370MPa，抗拉强度为550MPa，延伸率为35%，阻尼系数为38%。该焊接材料具有非常优异的耐腐蚀性能，特别是在海洋性环境中。在人工海水中的耐海水腐蚀试验表明，4年后接头材料重量变化小于0.2wt.%。表明在腐蚀性极强的海洋性环境下，该接头合金具有良好的耐腐蚀性能，因而可以广泛的用于海洋性环境下的减振降噪，例如海洋平台。
实施例3
一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料。按重量百分比计,该合金组成为: In:2.5wt.%,Zn:1.3wt.%,Hf:0.6wt.%,Sn:1.2wt.%,B:0.1wt.%,Ag:3.2wt.%,Ni:6.0wt.%,余量为钴。
上述焊接材料的加工和使用方法，包括如下的步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在1260度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入铸铁模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为6.0%；每两道次后进行中间去应力真空退火，工艺为840度2.5小时；重复以上过程直到工件厚度为2mm为止。（c）将具备厚度为2mm的板材进行线切割成所需的长度和宽度的焊接用材料；在氩气保护的弧焊接后，焊后去应力热处理工艺为真空炉中400度保持2.0小时。
该焊接材料的熔点为1090度，且对焊缝周围的304不锈钢母材有很大的熔合作用。在焊接热影响区内，焊接材料对母材阻尼性能有很大的补偿作用。也就是说，本专利申请保护的焊接材料通过焊接后的热处理，可以在很大程度上保持接头的阻尼性能和力学性能。在氩气保护焊接条件下，没有经过热处理时屈服强度为325MPa，抗拉强度为490MPa，延伸率为26%，阻尼系数SDC为24%;而经过热处理后，屈服强度为370MPa，抗拉强度为542MPa，延伸率为36%，阻尼系数为38%。该焊接材料具有非常优异的耐腐蚀性能，特别是在海洋性环境中。在人工海水中的耐海水腐蚀试验表明，4年后接头材料重量变化小于0.3wt.%。表明在腐蚀性极强的海洋性环境下，该接头合金具有良好的耐腐蚀性能，因而可以广泛的用于海洋性环境下的减振降噪，例如海洋平台。

Claims (2)

1.一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料；按重量百分比计，该合金组成为：In:2.0-3.0wt.%,Zn:1.2-1.4wt.%,Hf:0.5-0.8wt.%,Sn:1.0-1.5wt.%,B:0.1-0.2wt.%,Ag:3.0-3.5wt.%,Ni:5.0-8.0wt.%,余量为钴。
2.权利要求1所述一种高锰含量锰铜阻尼合金与304不锈钢间焊接材料，其特征在于包括如下的制造和使用步骤：（a）将合金按照所需的成分配置后，放入感应炉内进行熔炼，并采用氧化镁或者氧化铝坩埚进行氩气保护下的熔炼；在1200-1300度保温10分钟利用电磁搅拌充分将合金熔体搅拌均匀后，导入铸铁模具内进行浇铸；（b）将铸锭进行冷轧，每道次轧制的压下量为5-8%；每两道次后进行中间去应力真空退火，工艺为750-850度2.0-3.0小时；重复以上过程直到工件厚度为2-3mm为止；（c）将具备厚度为2-3mm的板材进行线切割成所需的长度和宽度的焊接用材料；在氩气保护的弧焊接后，焊后去应力热处理工艺为真空炉中400-420度保持2.0-2.5小时。
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